Beschleunigungsmesser

Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor , der, gebunden an ein Mobiltelefon oder jedes andere Objekt, es ermöglicht , die zur Messung der linearen nicht-Gravitationsbeschleunigung des letzteren. Wir sprechen von einem Beschleunigungsmesser, selbst wenn es tatsächlich 3 Beschleunigungsmesser sind, die die linearen Beschleunigungen nach 3 orthogonalen Achsen berechnen.

Wenn wir dagegen versuchen, eine Drehung oder Winkelgeschwindigkeit zu erfassen, sprechen wir von einem Gyrometer . Allgemeiner sprechen wir von einer Trägheitseinheit, wenn wir alle 6 Beschleunigungen messen wollen.

Obwohl die lineare Beschleunigung in m / s 2 ( SI ) definiert ist, drückt der Großteil der Dokumentation zu diesen Sensoren die Beschleunigung in "g" (ungefähr 9,81 m / s 2 ) aus (wie sie durch die Erdgravitation verursacht wird ).

Der Sensor

Intuitiver Ansatz

Ein Beschleunigungsmesser kann durch ein Masse-Feder-System schematisiert werden . Betrachten wir dieses Diagramm als entgegengesetzt: Im Gleichgewicht ist die Position x der Masse m die Referenz, daher ist x = 0. Wenn der Träger eine vertikale Beschleunigung nach oben erfährt, werden zwei Dinge stattfinden: Dieser Träger bewegt sich einerseits nach oben und aufgrund der Trägheit der Masse m bleibt dieser tendenziell in seiner Ausgangsposition und drückt die Feder auf der anderen Seite zu komprimieren. Der Wert x ist umso größer, je größer die auf den Träger ausgeübte Beschleunigung ist.

Wir können anhand des Grundprinzips der Dynamik für ein nicht gedämpftes System (und indem wir das System horizontal betrachten, damit wir das Gewicht nicht berücksichtigen) zeigen: mit der Beschleunigung der Masse m und x die Position des Trägers ( in Bezug auf einen galiläischen Bezugsrahmen ).

Es scheint klar, dass diese Beschleunigung proportional zu x ist . Durch einfaches Messen der Verschiebung der Masse m in Bezug auf ihre Unterstützung kann man die Beschleunigung erkennen, die diese erfährt.

Prinzip

Das Prinzip der meisten Beschleunigungsmesser basiert auf dem Grundgesetz der Dynamik  :

F = m a

mit

Genauer gesagt besteht es aus der Gleichheit zwischen der Trägheitskraft der seismischen Masse des Sensors und einer auf diese Masse ausgeübten Rückstellkraft. Es gibt zwei Hauptfamilien von Beschleunigungsmessern: Nicht-Servobeschleunigungsmesser und Servobeschleunigungsmesser.

Nicht-Slave-Beschleunigungsmesser

Bei Sensoren ohne Slave (offener Regelkreis) wird die Beschleunigung anhand ihres "direkten" Bildes gemessen: der Verschiebung der seismischen Masse (Kraftmasse oder sogar Testmasse) des Sensors, um eine Gleichheit zwischen der Rückstellkraft und seiner Kraft von zu erreichen Trägheit.

Es werden Nicht-Servo-Beschleunigungsmesser vermarktet, die direkt auf dem Markt erhältlich sind:

Ebenso gibt es nicht vermarktete wie:

Piezoelektrische Beschleunigungsmesser

Bestimmte Kristalle ( Quarz , Seignettsalz ) und bestimmte Keramiken haben die Eigenschaft, bei Verformung elektrisch geladen zu werden. Umgekehrt verformen sie sich, wenn sie elektrisch geladen sind, das Phänomen ist reversibel. Der Kristall lädt sich auf zwei gegenüberliegenden Flächen mit entgegengesetzten Ladungen auf, wenn er einer Kraft ausgesetzt wird, die zwischen diesen beiden Flächen ausgeübt wird. Eine Metallisierung der Flächen ermöglicht es, eine elektrische Spannung zu sammeln, die in einem Stromkreis verwendet werden kann.

Servogesteuerte Beschleunigungsmesser

Bei servogesteuerten Beschleunigungsmessern wird die Beschleunigung am Ausgang einer Rückkopplungsschleife (Servosteuerung) gemessen, die einen PI-Korrektor (Integral Proportional: Korrektortyp zur Verbesserung der Genauigkeit) umfasst. Ein Verschiebungserkennungssensor (nicht servogesteuert) ermöglicht eine sofortige Beschleunigungsmessung. Dies ist der Eingabewert unserer Servoschleife. Am Ausgang dieser Schleife wird die Beschleunigung erhalten, indem die für die Rückstellkraft erforderliche Energie abgelesen wird, die die Rückkehr der seismischen Masse in ihre Ausgangsposition ermöglicht.

In Trägheitseinheiten wird diese Art von Technologie für eine Anwendung in der Führung , die im Allgemeinen in der Luftfahrt oder in der Astronautik verwendet wird, im Allgemeinen bevorzugt. In der Tat haben die Handys eine bestimmte Masse und ihr Schwerpunkt unterliegt Schwingungen mit relativ niedriger Frequenz in der Größenordnung von 0 bis 10  Hz . Dies ermöglicht daher die Verwendung von servogesteuerten Sensoren.

Diese werden nach ihrer Rückstellkraft klassifiziert, die vom elektromagnetischen oder elektrostatischen Typ sein kann. Oder abhängig von ihrer Art der Erkennung, die kapazitiv, induktiv oder optisch sein kann.

Quantenbeschleunigungsmesser

Im Jahr 2018 führte das Imperial College London einen Quantenbeschleunigungsmesser ein . Das System basiert auf der Messung der Eigenschaften von Quantenwellen, die von Atomen während Beschleunigungen abgegeben werden, wodurch die Verschiebung und damit die Position in Bezug auf die Zeit abgeleitet werden kann. Die Bedienung ähnelt der herkömmlicher Beschleunigungsmesser, ist jedoch wesentlich empfindlicher und präziser.

Das System verwendet Laser , um die Atome auf extrem niedrige Temperaturen zu kühlen, was Platz erfordert.

Hauptparameter eines Beschleunigungsmessers

Zusätzlich zu den klassischen Eigenschaften von Sensoren kann der Beschleunigungsmesser durch folgende Daten charakterisiert werden:

  • sein Messbereich wird in g = 9,806 65 m / s 2 ausgedrückt
  • seine Masse des Sensors, die Feinheit (entsprechend korrekter Fachbegriff)
  • seine Querempfindlichkeit
  • seine Anzahl von Achsen (1 bis 3 Achsen)
  • seine mechanische Konstruktion
  • das Vorhandensein integrierter Elektronik
  • seinen Preis (im Jahr 2007 von 6 Euro für einen kapazitiven Sensor ohne Slave bis zu 3.000 Euro für einen High-End-Slave-Sensor)

Alle diese Eigenschaften interagieren und charakterisieren ein Prinzip, eine Technologie oder einen Herstellungsprozess.

Seine Anwendungen

Die Anwendungen dieses Sensors sind sehr vielfältig:

  • Geschwindigkeitsmessung (durch Integration)
  • Verschiebungsmessung (durch Doppelintegration)
  • Maschinendiagnose (durch Schwingungsanalyse)
  • Fehlererkennung in Materialien (durch Messung der Ausbreitung einer Schwingung durch Materialien)

Dennoch werden sie im Allgemeinen in drei große Kategorien eingeteilt:

  • Die Schocks
  • Vibrationsbeschleunigung
  • Mobile Beschleunigung

Die Schocks

Die Stöße sind Beschleunigungen mit sehr starker Amplitude. Beispielsweise wird ein Objekt, das aus einer Höhe von 20 cm auf ein 5 cm dickes Stahlblech  fällt,  beim Aufprall einer Beschleunigung von 8000  g und auf einem 50 Seiten dicken Notizbuch einer Beschleunigung von nur 90  ausgesetzt g .

Dies sind sehr kurze Beschleunigungen und erfordern daher einen Durchlassbandsensor im Allgemeinen im Bereich von 0 bis 100  kHz .

Die für diese Messungen erforderliche Genauigkeit liegt in der Größenordnung von 1% der Messskala des Sensors .

Die Sensoren, die üblicherweise mit dieser Art von Anwendung verbunden sind, sind nicht gesteuerte Verschiebungsbeschleunigungsmesser, genauer gesagt:

  • piezoelektrische Detektion
  • piezoresistive Erkennung
  • kapazitive Erfassung (nur für Airbags )

Beispiele:

  • Auslösen von Sicherheitskissen in Autos
  • Crashtests
  • Pyrotechnik

Vibrationsbeschleunigung

Vibrationsbeschleunigungen gelten als Beschleunigungen mittleren Niveaus (im Allgemeinen um die hundert g). Sie benötigen einen Sensor mit einer Bandbreite von bis zu 10 kHz und einer Genauigkeit von ca. 1% der Messskala des Sensors.

Die verwendeten Beschleunigungsmesser vom Nicht-Slave-Typ sind:

  • piezoelektrische Detektion
  • mit piezoresistiver Detektion oder Dehnungsmessstreifen
  • mit induktiver Detektion (oder variabler Reluktanz)

Beispiele:

  • Vibrationskontrolle für F & E.
  • industrielle Kontrolle

Mobile Beschleunigung

Mobile Beschleunigungen sind gering. Beispielsweise beträgt die maximale Beschleunigung für den " Rafale " 9  g . Diese Beschleunigungen überschreiten einige zehn Hertz nicht. Andererseits kann die erforderliche Präzision wichtig sein. Sie variiert zwischen 0,01% und 2% der Messskala des Sensors.

Die verwendeten Beschleunigungsmesser sind:

  • nicht servogesteuerte Beschleunigungssensoren (Messgeräte, Kondensatoren, Induktion, Optik, Potentiometer);
  • servogesteuerte Beschleunigungssensoren.

Beispiel:

  • Flugzeugträgheitsstationen
  • Hilfe zur dynamischen Bestimmung der Position eines Zuges auf einer Strecke

Isolierte Anwendungen und Spezialprodukte

  • Neigungsmessung (dank der Schwerkraft der Erde und eines zweiachsigen Beschleunigungsmessers): Bestimmte Beschleunigungsmesser mit kapazitiver Erfassung mit pendelnder seismischer Masse ermöglichen auch die Ausführung der Funktion des Neigungsmessers . Letzteres wird durch die mechanische Konfiguration der kapazitiven Pendelbeschleunigungsmesser und die Schwerkraft der Erde ermöglicht. Die Beschleunigungsmesserfunktion kann jedoch nicht gleichzeitig verwendet werden.

Der Beschleunigungsmesser und die Nachrichten

Seit der Entwicklungsphase von MEMS- Beschleunigungsmessern von 1975 bis 1985 hat der Beschleunigungsmesser einen "Boom" in seiner Verwendung erlebt. Tatsächlich stieg der Umsatz von 24 Millionen im Jahr 1996 auf 90 Millionen im Jahr 2002. Der Preis für MEMS sinkt weiter . Mit der jüngsten Einführung von NEMS- Beschleunigungsmessern wird diese Allgegenwart des Beschleunigungsmessers in verschiedenen „Verbraucher“ -Produkten immer aktueller.

"Allgemeine öffentliche" Produkte mit dem Beschleunigungsmesser

Trägheitseinheiten mit 6 Beschleunigungen, wie beim iPhone 4, verbrauchen mehr Energie und sind oft weniger empfindlich als eine Einheit, die nur auf 3 lineare Beschleunigungsmesser reduziert ist, wie bei vielen Mobiltelefonen, einschließlich dem iPhone 3GS , oder sogar 2 für eine. Spielekonsole wie WII , oder sogar eine einzelne Dimension, um eine Festplatte im Falle eines Sturzes eines Laptops ( ThinkPad ) anzuhalten .

In Sportuhren:

  • Nike , Polar und andere verwenden Beschleunigungsmesser, um die Reisegeschwindigkeit und -entfernung zu bestimmen.

Zur Messung einer sportlichen oder alltäglichen Geste:

  • Myotest verwendet einen Beschleunigungsmesser, um die Muskelleistung zu messen. Es berechnet die Kraft, die Kraft und die Geschwindigkeit einer Geste, aber auch die Höhe des Sprunges, die Kontaktzeit oder den Widerstand gegen Ermüdung.

In Kameras und Kameras:

  • Beschleunigungsmesser werden zur Bildstabilisierung, Unschärfe usw. verwendet.

In Ultra-Portable, PDA usw. ::

  • Beschleunigungsmesser dienen zur Bildschirmausrichtung.

Mit dem Handy:

  • Beschleunigungsmesser werden verwendet, um einen Sturz (starke Beschleunigung) zu erkennen und die Festplatte anzuhalten. Dies war die erste Verwendung eines Beschleunigungsmessers ( Apple in seinem MacBook Pro ), einer Anwendung, die schnell entführt und berühmt wurde. Dies führte zur Aufnahme eines Beschleunigungsmessers in das iPhone desselben Apple und dann zur Verallgemeinerung dieser Komponente.

In Videospielen:

  • Nintendo hat sich für Innovationen entschieden und einen Controller der neuen Generation für seine Wii- Konsole auf den Markt gebracht . Dies erkennt die Bewegungen des Spielers direkt dank Beschleunigungsmessern, die in den zwei Teilen angeordnet sind, aus denen sein Controller besteht: der Wiimote und dem Nunchuck . Darüber hinaus enthält die 3DS- Handheld- Konsole einen Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop. Die Joycons des Schalters enthalten einen Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop.
  • Sony hingegen verwendet eine andere Technologie im Sixaxis- Controller seiner PlayStation 3 , außerdem integriert die PlayStation Move Beschleunigungsmesser und ein Gyrometer .

In der Telefonie: Aufgrund der Konvergenz der Technologien werden Beschleunigungsmesser verwendet, um die meisten der oben beschriebenen Funktionen zu kombinieren.

  • Sony Ericsson verwendet einen Beschleunigungsmesser für C902, C905, C510, K850i, W710, W580i, W595, W910i, W980i und W995.
  • HTC verwendet den Beschleunigungsmesser in Touch Diamond, Touch HD, Touch Pro2, HD2 , Desire / Desire HD und seinen Android- Handys .
  • Apple verwendet den Beschleunigungsmesser seit 2005 in iPhones , iPod touch und iPod nano sowie in seiner gesamten Laptopserie.
  • Nokia verwendet den Beschleunigungsmesser im N95 , N82, N70, 6600, 5530 Xpressmusic, 5800 Xpressmusic, im N900 Roverle, im N97 und im N8.
  • Samsung verwendet den Beschleunigungsmesser im Samsung Player Addict, im Samsung Galaxy, im Samsung Galaxy Spica, im Samsung Galaxy Teos, im Samsung Galaxy S, im S2 und im S3, im Samsung Player Star, im Samsung Player 5, im Samsung Player Pixon, im Samsung Wave und im Samsung Player One.
  • Der Neo FreeRunner verfügt über zwei Beschleunigungsmesser.

In Transportfahrzeugen:

  • Airbag  : Beschleunigungsmesser werden in "  Airbag  " -Systemen verwendet. Sie messen kontinuierlich die Fahrzeugbeschleunigung und vergleichen sie mit Crashtest-Messungen. Sobald das Signal eines Crash-Impulses erkannt wird, sendet die elektronische Steuereinheit den Befehl, das Gas freizugeben, das den Airbag aufbläst.

Anmerkungen und Referenzen

  1. Lexikografische und etymologische Definitionen des "Beschleunigungsmessers" der computergestützten französischen Sprachkasse auf der Website des Nationalen Zentrums für textuelle und lexikalische Ressourcen
  2. Prinzip des piezoelektrischen Beschleunigungsmessers auf der Website brouchier.com, konsultiert am 18. September 2013
  3. https://www.journaldugeek.com/2018/11/13/accelerometre-quantique-gps-panne/
  4. Ankündigung zum Wii-Controller auf der ST Microelectronics-Website
  5. (in) Einführung in das Nintendo 3DS-System Nintendo E3 Network15. Juni 2010.
  6. "  Technische Daten - Offizielle Nintendo Switch ™ -Seite - Konsolenspezifikationen  " unter www.nintendo.com (abgerufen am 4. Januar 2018 )

Funktioniert

  • Georges Asch, Sensoren in der industriellen Instrumentierung , Dunod ( ISBN  978-2-10-005777-1 )
  • Techniken des Ingenieurs (die technische Enzyklopädie)

Rezension

  • Maßnahmen , Nr. 746, Einkaufsführer, Artikel von Marie-Line Zani,Juni 2002.
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